路開道

(中鐵十四局集團(tuán)大盾構(gòu)工程有限公司， 江蘇 南京 211899)

0 引言

隨著城市規(guī)模的日益增大，有些城市需要橋隧等構(gòu)筑物連接城市兩岸，而隧道相較于橋梁有不影響通航、不受天氣影響等優(yōu)勢，從而越來越多的城市選擇以水下盾構(gòu)隧道的方式穿越江河。通常而言，施工期間管片內(nèi)力隨不同地層存在較大差異，且受到地層水土壓力和同步注漿壓力的影響較為顯著[1]。目前，對于水下盾構(gòu)隧道施工期間管片受力的研究主要采用現(xiàn)場實(shí)測和數(shù)值模擬的手段。如： 彭祖昭[2]依托佛莞城際鐵路獅子洋隧道，采用現(xiàn)場監(jiān)測的手段監(jiān)測水土荷載和管片內(nèi)力，得出管片拼裝階段結(jié)構(gòu)內(nèi)力響應(yīng)；湯印[3]依托佛莞城際鐵路獅子洋隧道，分別采用水土分算和水土合算，對百年最高水位和最低水位進(jìn)行計算分析，得出地層突變會引起縱向應(yīng)力的突變；申志軍等[4]通過監(jiān)測白城馬蹄形盾構(gòu)隧道施工期間的內(nèi)力，得出管片拼裝、同步注漿等對管片內(nèi)力影響顯著；蘇彥[5]以天津軟土地層中的盾構(gòu)隧道為例，以梁單元來模擬隧道結(jié)構(gòu)的特性，建立盾構(gòu)隧道縱向等效連續(xù)化模型，得出盾構(gòu)隧道縱向抗震設(shè)計建議采用螺栓最大張開量為控制指標(biāo)；盧岱岳等[6]對管片破壞開裂的形態(tài)特征、分布規(guī)律以及危害程度進(jìn)行統(tǒng)計分析，得出縱向前裂紋數(shù)量更多，波及范圍更廣，病害程度更深，是管片結(jié)構(gòu)中最危險的病害形式，并說明研究管片結(jié)構(gòu)縱向受力的必要性。

綜上所述，以往研究采用現(xiàn)場實(shí)測和數(shù)值模擬的方法，研究地層水土壓力和同步注漿壓力對施工期間管片內(nèi)力的影響，而少有涉及盾構(gòu)頂推力對管片內(nèi)力的影響。然而，對于盾構(gòu)隧道而言，施工期間頂推力對管片內(nèi)力的影響不可忽視。綜合研究地層水土壓力、同步注漿壓力、盾構(gòu)頂推力對管片內(nèi)力的影響，可為管片健康、判斷注漿效果、設(shè)置頂推參數(shù)等提供重要的參考依據(jù)。此外，以往研究雖能基本反映施工期間管片的受力變化，但由于采用關(guān)鍵點(diǎn)測量的方式，數(shù)據(jù)采集有限，難以捕捉施工期間管片受力變化的每個細(xì)節(jié)，在全面性和實(shí)際性方面存在不足。

鑒于此，本文以常德沅江越江隧道為依托，對盾構(gòu)下穿典型的水下圓礫地層管片結(jié)構(gòu)環(huán)向和縱向受力以及水壓力進(jìn)行連續(xù)采集，并結(jié)合注漿壓力和千斤頂頂推力進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)并總結(jié)水下強(qiáng)透水圓礫地層施工期間不同階段管片內(nèi)力的影響因素，以期為類似地層盾構(gòu)施工提供參考。

1 工程概況

常德沅江越江隧道全長2 240 m，盾構(gòu)段長1 680 m。隧址區(qū)位于沅江下游，平均水位29.69 m，現(xiàn)場監(jiān)測期間水位30.40～31.97 m。隧道下穿河床810 m，下穿地層70%為圓礫石地層，粒徑跨度大，顆粒級配差，成分主要為粗顆粒和細(xì)顆粒，中顆粒缺失，隨著盾構(gòu)的開挖，細(xì)顆粒隨地下水流失導(dǎo)致滲透系數(shù)較大(120 m/d)。圓礫地層顆分試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，抽水試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表1 圓礫地層顆分試驗(yàn)結(jié)果

表2 圓礫地層抽水試驗(yàn)結(jié)果

常德沅江隧道為雙向4車道公路隧道，盾構(gòu)管片外徑11.3 m、厚0.5 m、內(nèi)徑10.3 m、幅寬2 m。管片分塊為8塊，即5塊標(biāo)準(zhǔn)塊(B)+2塊鄰接塊(L)+1塊封頂塊(F)，環(huán)向和縱向均使用A級M36螺栓連接。管片分塊示意圖如圖1所示。

圖1 管片分塊示意圖

2 監(jiān)測方案

2.1 監(jiān)測斷面概況

依據(jù)隧址區(qū)地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造以及水文地質(zhì)，選取沅江越江隧道東線江中埋深最大處為監(jiān)測斷面，埋深17.83 m，該斷面里程為DK0+774.34，對應(yīng)環(huán)號為451環(huán)。監(jiān)測期間江水深度為6.30～7.87 m。監(jiān)測斷面位置及地層分布如圖2所示。盾構(gòu)穿越地層為圓礫層，圓礫層下為中粗砂層。

圖2 監(jiān)測斷面位置及地層分布

2.2 監(jiān)測過程

綜合分析隧道下穿圓礫地層的物理力學(xué)性質(zhì)、地下水位等因素，結(jié)合盾構(gòu)施工期間對管片和地層產(chǎn)生的影響，測試管片環(huán)向、縱向混凝土應(yīng)變和水壓力，以此獲得從管片拼裝開始至脫環(huán)、注漿、推進(jìn)等過程中管片的環(huán)向和縱向內(nèi)力以及外水壓力隨施工變化和沿環(huán)向分布規(guī)律。管片每一分塊布置環(huán)向混凝土應(yīng)變測點(diǎn)、縱向混凝土應(yīng)變測點(diǎn)和水壓力測點(diǎn)，測點(diǎn)布置如圖3所示。

C代表環(huán)向混凝土應(yīng)變計； L代表縱向混凝土應(yīng)變計； W代表孔隙水壓力計； 數(shù)字代表編號。

監(jiān)測過程分為前期準(zhǔn)備階段、現(xiàn)場安裝階段和數(shù)據(jù)采集階段[7]。前期準(zhǔn)備階段包括應(yīng)變計及傳感器的安裝(如圖4所示)和管片澆筑及養(yǎng)護(hù)。現(xiàn)場安裝階段主要包括傳感器接線、初始值測量及拼裝。數(shù)據(jù)采集階段分為采集儀的安裝(如圖5所示)和連續(xù)測量。數(shù)據(jù)采集從監(jiān)測管片拼裝完成后開始，采用泰斯特3801采集儀采集數(shù)據(jù)，儀器測量頻率為1/32，連續(xù)采集管片從脫出盾尾、同步注漿、盾構(gòu)推進(jìn)等一系列施工過程中的數(shù)據(jù)，獲取真實(shí)的力學(xué)參數(shù)，為后期分析研究提供數(shù)據(jù)支撐。

圖4 測試元件的安裝

圖5 采集儀的安裝

3 施工參數(shù)變化情況

地層水壓力和管片內(nèi)力在施工過程中的變化較為敏感，而連續(xù)測量較為全面真實(shí)地反映其變化規(guī)律，監(jiān)測斷面8個分塊數(shù)據(jù)變化存在較大差異。為使結(jié)果便于研究和分析，選取數(shù)據(jù)較為完整的L1、L2、B2、B4分塊進(jìn)行分析，以下分析均針對該4分塊展開。

圖6為盾構(gòu)頂推油缸和注漿口位置分布圖，一共22對頂推油缸，分為6組。圖7示出L1、L2、B2、B4分塊對應(yīng)位置4組頂推油缸總頂推力變化。由圖7可知，各組頂推油缸推進(jìn)階段的頂推力為1 000～2 000 kN，停機(jī)拼裝階段的頂推力為0[8]。

圖8示出同步注漿壓力變化曲線。同理，為便于分析，圖8為L1、L2、B2、B4分塊對應(yīng)位置4個注漿口注漿壓力變化。

G代表注漿口； D代表頂推油缸； 數(shù)字代表編號。

圖中橫坐標(biāo)為試驗(yàn)環(huán)與開挖面間的距離，實(shí)際以時間為線程，故每環(huán)間距存在差異，同時，盾殼長度為4 m，故試驗(yàn)環(huán)在1～2環(huán)間脫出盾殼。

圖中橫坐標(biāo)為試驗(yàn)環(huán)與開挖面間的距離，實(shí)際以時間為線程，故每環(huán)間距存在差異，同時，盾殼長度為4 m，故試驗(yàn)環(huán)在1～2環(huán)間脫出盾殼。

4 管片施工期間內(nèi)力變化及影響因素

管片結(jié)構(gòu)內(nèi)力在施工期間受到同步注漿和盾構(gòu)頂推力的影響，本節(jié)將對這2方面進(jìn)行分析。

4.1 同步注漿壓力對管片內(nèi)力的影響分析

4.1.1 管片環(huán)外水壓力變化及分布規(guī)律

同步注漿壓力對內(nèi)力的影響主要通過改變地層滲透系數(shù)和增大地層水壓力來實(shí)現(xiàn)，故對環(huán)外地層水壓力進(jìn)行分析。環(huán)外水壓力隨施工過程變化曲線如圖9所示。

圖9 環(huán)外水壓力隨施工過程變化曲線(東線451環(huán))

結(jié)合圖8和圖9可知： 1)脫環(huán)(1環(huán))前管片尚未脫出盾尾，不承受水壓力，脫環(huán)(1～2環(huán))后管片接觸地層水壓力，各測點(diǎn)水壓力明顯增大。2)L2分塊在脫環(huán)后受到同步注漿的影響，水壓力顯著增大[9](簡稱跳躍)，在距開挖面3～4環(huán)時出現(xiàn)第1次跳躍，此時注漿口壓力增大；在距開挖面4～5環(huán)時L2水壓力再次跳躍，出現(xiàn)最大值0.461 8 MPa，此后L2水壓力未出現(xiàn)顯著變化，逐漸降低，最終穩(wěn)定在0.24 MPa附近。3)L1分塊在脫出盾尾后水壓力未出現(xiàn)較大波動，脫出盾尾后水壓力值為0.091 8 MPa，隨后隨著注漿壓力出現(xiàn)微小波動，在2～3環(huán)間出現(xiàn)最小值0.079 12 MPa，隨后基本不變，最終穩(wěn)定后在0.121 4 MPa。4)B2分塊在脫環(huán)后水壓力為0.075 46 MPa，隨著注漿壓力出現(xiàn)微小波動，在3～4環(huán)間出現(xiàn)最小值0.069 12 MPa，在7～8環(huán)間出現(xiàn)跳躍，最大值為0.293 4 MPa，隨后逐漸降低直至穩(wěn)定，最小值為0.203 2 MPa。5)B4分塊脫環(huán)后水壓力為0.084 5 MPa，隨后在3～4環(huán)間出現(xiàn)最大值0.134 4 MPa，隨后逐漸降低，并穩(wěn)定在0.088 9 MPa。6)整體來看，施工影響范圍為脫環(huán)后到第10環(huán)，其中L2分塊與注漿壓力配合度較高，其他分塊由于盾尾密封油脂的作用未能完全反映環(huán)外水壓力變化[10]。

監(jiān)測管片環(huán)外水壓力沿環(huán)向分布如圖10所示?？芍?1)管片脫出盾尾后，注漿壓力導(dǎo)致環(huán)外水壓出現(xiàn)跳躍，最大水壓力值出現(xiàn)在封頂塊F附近，量值為0.483 3 MPa。2)水壓力值穩(wěn)定后，除分塊L1附近水壓力略有增大以外，其余分塊測點(diǎn)水壓力值相較于注漿時顯著降低，穩(wěn)定后各測點(diǎn)平均值為0.24 MPa左右，基本與計算值相符(監(jiān)測斷面埋深為17.83 m，監(jiān)測期間江水深度為6.30～7.87 m)。3)穩(wěn)定后最大值出現(xiàn)在B5分塊附近，量值為0.351 3 MPa。分析可知，監(jiān)測斷面穿越地層水壓力受注漿壓力的影響極大，部分測點(diǎn)(B4、L1)量值明顯小于其他測點(diǎn)，主要由于盾尾密封油脂的作用，導(dǎo)致水壓無法真實(shí)測量[7]。同時，注漿過程中存在漿液逸散不均勻的情況，導(dǎo)致管片結(jié)構(gòu)上部水壓大于下部水壓[7]。穩(wěn)定后漿液凝固，原地層水壓力回涌，并逐漸作用于管片，水壓呈現(xiàn)上小下大的狀態(tài)[7]。

圖10 環(huán)外水壓力沿環(huán)向分布

4.1.2 同步注漿對管片內(nèi)力的影響

管片環(huán)向受力變化如圖11和圖12所示。

圖11 環(huán)向軸力變化曲線(東線451環(huán))

結(jié)合圖8和圖9及圖11和圖12可知： 1)脫環(huán)(1環(huán))前環(huán)向軸力處于受拉狀態(tài)，這是由于此時管片僅承受自重和頂推力，彎矩量值較小。2)脫環(huán)(1～2環(huán))后管片受到的地層水壓力明顯增大，導(dǎo)致軸力和彎矩均出現(xiàn)明顯的增大，軸力和彎矩最大值出現(xiàn)在L2測點(diǎn)，分別為4 800 kN和-500 kN·m。3)2～5環(huán)經(jīng)歷3次注漿，管片內(nèi)力對應(yīng)出現(xiàn)3次跳躍，其中L2測點(diǎn)水壓力在4～5環(huán)間出現(xiàn)最大值，導(dǎo)致軸力出現(xiàn)最大值，為118 00 kN，彎矩于第1次注漿時在B2測點(diǎn)出現(xiàn)最大值，為580 kN·m。4)5～12環(huán)管片內(nèi)力逐漸趨于穩(wěn)定，軸力穩(wěn)定在4 500～5 000 kN，彎矩穩(wěn)定在-200～200 kN·m。5)整體來看，管片內(nèi)力受注漿壓力的影響范圍在2～5環(huán)最為顯著，此階段內(nèi)力隨著注漿壓力的增大而增大，趨于穩(wěn)定后管片處于軸力較大而彎矩較小的狀態(tài)，整體較為安全[11]。

圖12 環(huán)向彎矩變化曲線(東線451環(huán))

4.2 頂推力對管片軸力的影響分析

盾構(gòu)頂推力對管片軸力的影響主要通過對管片縱向受力的作用來實(shí)現(xiàn)，為使結(jié)果更加直觀，將管片環(huán)向受力和縱向受力置于同一圖中進(jìn)行分析，如圖13—16所示。

圖13 L1分塊軸力變化曲線(東線451環(huán))

結(jié)合圖7和圖13—16可得： 1)脫環(huán)(1環(huán))前管片結(jié)構(gòu)位于盾殼內(nèi)，環(huán)向基本不受荷載，縱向受到頂推油缸頂推力作用，此時管片縱向受壓、環(huán)向受拉。具體來看： L1分塊軸力最大值為-2 000 kN，縱向受力最大值為2 000 kN；L2分塊軸力最大值為-4 000 kN，縱向受力最大值為4 000 kN； B2分塊由于現(xiàn)場測試原因前段數(shù)據(jù)缺失，但仍可以看出管片縱向受力由正變負(fù)的趨勢；B4分塊軸力最大值為-5 000 kN，縱向受力最大值為5 500 kN。整體來看，管片軸力量值與縱向受力基本相同，符號相反，說明脫環(huán)前頂推力對管片軸力的變化起主導(dǎo)因素[12]。

圖14 L2分塊軸力變化曲線(東線451環(huán))

圖15 B2分塊軸力變化曲線(東線451環(huán))

圖16 B4分塊軸力變化曲線(東線451環(huán))

2)脫環(huán)(1～2環(huán))后管片受地層水土壓力作用，縱向由受壓變?yōu)槭芾?，量值為?fù)，環(huán)向由受拉變?yōu)槭軌?，量值為正。同時可以發(fā)現(xiàn)，在盾構(gòu)停機(jī)拼裝時，縱向軸力量值達(dá)到最大，而在推進(jìn)時，量值相對較小。此階段L1分塊軸力由-2 000 kN變?yōu)? 500 kN，縱向受力由2 000 kN變?yōu)?2 000 kN；L2分塊軸力由-4 000 kN變?yōu)? 800 kN，縱向受力由4 000 kN變?yōu)? 800 kN；B2分塊軸力為2 500 kN,縱向受力為-2 000 kN；B4分塊軸力由-5 000 kN變?yōu)? 000 kN，縱向受力由5 500 kN變?yōu)? 000 kN。整體來看，此階段管片軸力和縱向受力出現(xiàn)反向變化趨勢，這是由于管片脫出盾尾，受到地層作用，環(huán)向受力逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位，同時對縱向受力產(chǎn)生負(fù)向影響。

3)2～5環(huán)經(jīng)歷3次注漿，環(huán)向受力受注漿影響極為顯著，縱向受力在盾構(gòu)推進(jìn)期間趨近于0或量值較小。L1分塊軸力最大值為10 000 kN，縱向軸力為 -2 200 kN；L2分塊環(huán)向軸力最大值約為12 000 kN，縱向軸力在第3環(huán)拼裝期間出現(xiàn)極大值，約為-2 900 kN，在第4環(huán)推進(jìn)期間，縱向受到的頂推力約為1 600 kN，縱向受力量值約為1 800 kN；B2分塊環(huán)向軸力最大值約為10 500 kN，縱向軸力在第3環(huán)拼裝期間出現(xiàn)極大值，約為-2 300 kN，在第4環(huán)推進(jìn)期間，縱向受到的頂推力約為1 600 kN，縱向受力量值為-2 000～0 kN； B4分塊環(huán)向軸力最大值約為10 000 kN，縱向軸力在第3環(huán)拼裝期間出現(xiàn)極小值，約為1 000 kN，在第4環(huán)推進(jìn)期間，縱向受到的頂推力約為1 900 kN，縱向受力量值約為2 000 kN。以上數(shù)據(jù)說明此階段各分塊軸力同時達(dá)到最大值，頂推力與環(huán)向受力產(chǎn)生的影響存在相互抵消的作用。反之，在停機(jī)拼裝階段縱向受力出現(xiàn)負(fù)值。同理，環(huán)向受力受到由于盾構(gòu)推進(jìn)產(chǎn)生的縱向受力的影響[13]。

4)5環(huán)之后，環(huán)向軸力逐漸減小并趨于穩(wěn)定。L1分塊在6～7環(huán)間出現(xiàn)微小波動，最終穩(wěn)定值約為3 700 kN；縱向軸力逐漸趨于受壓，在推進(jìn)階段約為2 000 kN，在停機(jī)拼裝階段趨近于0。L2分塊軸力最終穩(wěn)定值約為5 000 kN；縱向軸力逐漸趨于受壓，在推進(jìn)階段約為1 500 kN，在停機(jī)拼裝階段趨近于0。B2分塊軸力最終穩(wěn)定值約為3 800 kN；縱向軸力逐漸趨于受壓，在推進(jìn)階段約為1 000 kN，在停機(jī)拼裝階段趨近于0。B4分塊軸力最終穩(wěn)定值約為5 000 kN；縱向軸力波動逐漸減小，在推進(jìn)階段約為2 500 kN，在停機(jī)拼裝階段約為1 000 kN。

5)整體而言，環(huán)向受力在脫環(huán)前受到頂推力作用較為明顯，在脫環(huán)后由于注漿作用，頂推力能夠抵消一部分由于環(huán)向受壓而產(chǎn)生的縱向受拉，反之頂推力抵消了部分由于注漿產(chǎn)生的環(huán)向受力?？傮w來看，在脫環(huán)和前3次注漿過程中，頂推力對環(huán)向軸力的影響是有益于管片結(jié)構(gòu)的。

4.3 管片受力沿環(huán)向分布

綜合前文所述，選取脫環(huán)前、脫環(huán)后未推進(jìn)、注漿+推進(jìn)、穩(wěn)定后4個節(jié)點(diǎn)，截取內(nèi)力數(shù)據(jù)，繪制管片內(nèi)力沿環(huán)向分布圖，如圖17和圖18所示。

圖17 軸力沿環(huán)向分布圖(單位： kN)

圖18 彎矩沿環(huán)向分布圖(單位： kN·m)

由圖17可知： 1)脫環(huán)前軸力由于泊松比原理，間接受到頂推力的影響，此時處于受拉狀態(tài)，平均量值約為 -2 500 kN； 2)脫環(huán)后環(huán)向軸力變?yōu)槭軌?，平均量值約為4 500 kN,此時環(huán)向受力只受到地層水土壓力的影響； 3)脫環(huán)后注漿+推進(jìn)過程環(huán)向軸力主要受到地層水土壓力、注漿壓力的作用，平均量值約為10 000 kN，同時，環(huán)向軸力間接受到由于頂推力作用引起的受拉，但由于影響較小，數(shù)據(jù)無法完全體現(xiàn)； 4)穩(wěn)定后軸力量值約為4 500 kN，與脫環(huán)后的結(jié)果相近，量值較小，較為安全[14]。

結(jié)合圖7和圖8及圖17和圖18可知： 1)脫環(huán)前管片結(jié)構(gòu)除受到自重作用外，僅受到頂推力作用，此時整體彎矩量值較小，沿環(huán)向分布較為平滑； 2)脫環(huán)后管片結(jié)構(gòu)受到水土壓力、頂推力的綜合影響，環(huán)向彎矩主要受到地層水土壓力的影響，此時管片環(huán)向表現(xiàn)為上下外側(cè)受壓、左右外側(cè)受拉，管片整體有被壓平的趨勢[7]； 3)注漿和推進(jìn)過程中，管片環(huán)向受力達(dá)到最大，管片處于環(huán)向緊固狀態(tài)，表現(xiàn)為頂部、拱頂兩側(cè)內(nèi)側(cè)受拉，拱底、拱頂兩側(cè)外側(cè)受拉； 4)穩(wěn)定后彎矩環(huán)向分布與注漿時類似，但量值有所減小，分布較注漿時更為平滑[15]。

5 結(jié)論與建議

1)本文綜合分析同步注漿壓力與頂推力對管片內(nèi)力的聯(lián)合影響，相較以往研究更加客觀全面地反映了施工期間管片內(nèi)力的變化規(guī)律。

2)管片脫出盾尾前，僅受到自重和頂推力的作用，此時在頂推力的作用下，管片縱向受力在2 000～5 000 kN波動，導(dǎo)致管片軸力在-5 000～2 000 kN、彎矩量值在-200～200 kN·m波動，證明脫環(huán)前頂推力對管片受力起主導(dǎo)作用。

3)脫環(huán)后同步注漿壓力對管片受力影響較大，且主要通過對環(huán)外地層水壓力的作用實(shí)現(xiàn)對管片內(nèi)力的影響，脫環(huán)后前3次注漿時，內(nèi)力出現(xiàn)跳躍。其中在3～4環(huán)間(第2次注漿期間)內(nèi)力出現(xiàn)最大值，軸力最大值為13 800 kN(L2測點(diǎn))，彎矩最大值為420 kN·m(L1測點(diǎn))。整體來看，此階段軸力大、彎矩小，管片受力較為安全。

4)脫環(huán)后，在頂推力作用下，管片縱向受力在-2 000～2 000 kN波動，通過對比縱向受力與內(nèi)力可知，此時管片內(nèi)力受到縱向頂推力的影響較小。

5)結(jié)合環(huán)向軸力和縱向軸力以及脫環(huán)、注漿、推進(jìn)3個主要影響因素，可得管片結(jié)構(gòu)在盾構(gòu)推進(jìn)階段同時受到3種因素的作用，管片處于三向受壓狀態(tài)，此時管片較為安全?；诖私Y(jié)論，施工中應(yīng)盡可能減少拼裝作業(yè)時間，使管片處于三向受壓狀態(tài)。